創(chuàng)新不已，護(hù)航電力能源“大動脈”
——記清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室

文/高妍 楊進(jìn)平

“夏天一到，大家的命都是空調(diào)給的?！边@句網(wǎng)絡(luò)用語，表面上在說空調(diào)有多重要，實際上卻反映出人們對電的高度依賴。用電，已經(jīng)成為國家的基本保障，家家戶戶的日常需求。

作為世界上容量最大、電壓等級最高、風(fēng)光水等可再生能源接入最多的巨型電網(wǎng)，我國電網(wǎng)的正常運(yùn)行本身就是一件了不起的事。

要知道，我國幅員遼闊。電網(wǎng)要覆蓋東西、貫通南北，從極寒到極熱、從濕冷到干熱，從盆地到高原、跨越大江大河，還會不時遭遇強(qiáng)臺風(fēng)、泥石流等各種自然災(zāi)害。在這樣復(fù)雜的情況下，如何保障大規(guī)模電能安全、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)、傳輸、分配和使用，是一個巨大的系統(tǒng)工程。

清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”），就是保障我國電力能源“大動脈”這一系統(tǒng)工程安全、高效運(yùn)行的杰出機(jī)構(gòu)之一。

無論是國家基礎(chǔ)前沿研究，還是行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難題攻關(guān)，抑或是為國家能源電力發(fā)展建言獻(xiàn)策，他們一直都在，以中流砥柱的姿態(tài)。

創(chuàng)團(tuán)隊，立格局

1989年，原國家計劃委員會批準(zhǔn)清華大學(xué)“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”國家重點實驗室立項。

學(xué)校非常重視國家重點實驗室的建設(shè)，由老校長高景德先生親自擔(dān)任首屆學(xué)術(shù)委員會主任。實驗室由清華大學(xué)電機(jī)系與熱能系共同籌建，1995年10月17日通過國家驗收，正式對外開放運(yùn)行，是我國電氣工程領(lǐng)域首批國家重點實驗室。

“對于工程類的實驗室，任何一項重大成果的取得，都需要長期堅持不懈地潛心研究，也需要對技術(shù)發(fā)展的敏銳分析與判斷?！彼麄兛偨Y(jié)自身優(yōu)勢，選擇扎根我國電力系統(tǒng)和能源領(lǐng)域的關(guān)鍵方向，以包括電能生產(chǎn)、傳輸、分配、使用、存儲以及與其它形式能源相互轉(zhuǎn)換在內(nèi)的廣義電力系統(tǒng)作為研究對象，致力開展“頂天立地”的科學(xué)研究與工程應(yīng)用。

所謂“頂天”，即緊密圍繞國家電力能源領(lǐng)域重大需求，積極承擔(dān)國家基礎(chǔ)研究與前沿課題，在前瞻性研究中收獲原創(chuàng)性成果；而“立地”則是扎根一線，著力攻克制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，服務(wù)電力、電工行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

面對能源安全與氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，面對國家建設(shè)清潔低碳、安全高效能源體系的宏偉目標(biāo)，面對電力能源領(lǐng)域的老問題、新挑戰(zhàn)，他們始終保持高昂的斗志。

他們將自己要承擔(dān)的任務(wù)分成了兩大塊：電網(wǎng)側(cè)和電源側(cè)。前者重安全高效，保障現(xiàn)有電網(wǎng)的系統(tǒng)安全和設(shè)備安全，是實驗室的傳統(tǒng)研究核心及優(yōu)勢；后者以清潔低碳為目標(biāo)，主要開展可再生能源的并網(wǎng)消納、傳統(tǒng)發(fā)電的清潔轉(zhuǎn)型，以及多類型能源的互聯(lián)互通，是實驗室的新研究方向。正所謂，一手抓優(yōu)勢，確保當(dāng)下；一手抓前沿，鎖定未來。

在盧強(qiáng)、韓英鐸、倪維斗三位院士的長期帶領(lǐng)下，在國家973、國家自然科學(xué)基金重大項目及企業(yè)橫向項目的幫助下，在學(xué)術(shù)委員會的指導(dǎo)和依托單位的支持下，實驗室歷經(jīng)20多年的創(chuàng)新和發(fā)展，取得了多項響當(dāng)當(dāng)?shù)膭?chuàng)新型成果并成功應(yīng)用，為我國清潔低碳、安全高效能源新體系的建立健全作出了突出貢獻(xiàn)。

電網(wǎng)側(cè)，安全高效

保障電網(wǎng)系統(tǒng)與設(shè)備安全，是一個永恒的難題。遇到中國的巨型復(fù)雜電網(wǎng)，任務(wù)更加艱巨。

扎實“立地”，圍繞電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行，實驗室所開展的工作都非常實際，成果也特別具有應(yīng)用價值。

針對我國大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)、能源基地大容量遠(yuǎn)距離輸電過程中，容易發(fā)展低頻和次同步等機(jī)電振蕩事故的問題，他們研發(fā)了大型互聯(lián)電網(wǎng)機(jī)電振蕩分析與控制技術(shù)并成功應(yīng)用。

成果應(yīng)用于南方電網(wǎng)廣域多回直流控制，將西電東送交流通道輸電能力提升了15%；應(yīng)用于內(nèi)蒙古上都電廠，徹底解決振蕩和出力問題，使其年新增電力銷售10億元；相關(guān)成果廣泛應(yīng)用于大部分省級電網(wǎng)，部分關(guān)鍵裝備市場占有率超過70%。

值得一提的是，實驗室的成果還實現(xiàn)了國際輸出，在國際競標(biāo)中戰(zhàn)勝了美國通用電氣，成功在英國Hunder ston核電站應(yīng)用，隨后還應(yīng)用到了印度KMPCL電廠。

針對超特高壓線路輸送距離長，易和短路電流混淆，保護(hù)區(qū)分難；配電線路單相接地電流微弱，檢測困難等新老難題，他們在繼電保護(hù)上下功夫研究。

項目最終實現(xiàn)了電力線路行波保護(hù)技術(shù)，解決了超特高壓線路和配電線路保護(hù)難題。相關(guān)成果已由國電南京自動化股份有限公司等實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，廣泛應(yīng)用于各省區(qū)涵蓋10kV～1000kV多電壓等級的電力、航天等多行業(yè)領(lǐng)域，近3年正確動作率達(dá)100%。

針對輸電線路的污穢閃絡(luò)和雷擊閃絡(luò)等電網(wǎng)安全運(yùn)行重大威脅，創(chuàng)新性地提出閃防治關(guān)鍵技術(shù)，研制出可在污穢地區(qū)長期使用的新一代復(fù)合絕緣子；提出雷擊風(fēng)險分析與防護(hù)方法，并主導(dǎo)制定了CIGRE防雷導(dǎo)則；同時首創(chuàng)接地降阻關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)高效降阻。

成果廣泛用于我國全部特高壓工程，其中新一代復(fù)合絕緣子用量占全部特高壓絕緣子數(shù)70%以上；接地降阻技術(shù)用于28省區(qū)各種電壓等級的200余條交直流線路和1500余個發(fā)電廠站。推廣以來，超/特高壓線路雷擊停運(yùn)率下降50%，線路污閃跳閘率下降2個數(shù)量級，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

同時，實驗室基于這一成果牽頭制訂了CIGRE導(dǎo)則、IEEE標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)各1項，正牽頭修訂2項IEC標(biāo)準(zhǔn)，為能源電力行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

電源側(cè)，提質(zhì)增效

實驗室研發(fā)的能源互聯(lián)網(wǎng)云仿真平臺CloudPSS

有數(shù)據(jù)顯示，2017年，我國可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的26.4%，全年棄水電量515億千瓦時，水能利用率在96%左右；棄風(fēng)電量419億千瓦時，棄風(fēng)率12%，同比下降5.2個百分點。

這已經(jīng)是在各方努力下有所改觀的數(shù)據(jù)。“棄水棄風(fēng)棄光”問題伴隨可再生能源的大規(guī)模開發(fā)而出現(xiàn)，已成為對清潔能源投資的極大浪費(fèi)。大規(guī)?？稍偕茉吹目煽肯{，已是我國能源行業(yè)將長期面臨的重大挑戰(zhàn)。

實驗室在這方面開展了深入的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。

在靈活性資源挖掘方面，提出需求側(cè)靈活資源不確定性分析理論，為大規(guī)模靈活性資源參與電網(wǎng)調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。提出靈活性資源市場交易理論，解決了電力市場信息不對稱環(huán)境下靈活性資源的精準(zhǔn)定價難題。

在電網(wǎng)調(diào)度控制方面，提出新能源電力系統(tǒng)工程博弈論，為電力系統(tǒng)不確定性優(yōu)化控制提供了統(tǒng)一研究框架。提出自律協(xié)同有功調(diào)度和電壓控制技術(shù)，解決了可再生能源高比例接入下的電網(wǎng)運(yùn)行控制難題。

市場技術(shù)支持系統(tǒng)和有功調(diào)控系統(tǒng)在東北大區(qū)電網(wǎng)和11個省級電網(wǎng)應(yīng)用，東北電網(wǎng)年均減少棄風(fēng)電量14億度。電壓控制技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)全部13個大型風(fēng)光基地，閉環(huán)控制了全國一半以上的集中并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電，三北風(fēng)電基地電壓波動率平均下降31%，開端良好。

如果能源電力行業(yè)的提質(zhì)增效是一架馬車，可再生能源消納和傳統(tǒng)電力的清潔轉(zhuǎn)型就是馬車的兩個車輪。

煤電作為我國電力的主體能源，在接下來很長一段時間很難改變。如何幫助傳統(tǒng)電力實現(xiàn)提質(zhì)增效、清潔生產(chǎn)，同樣重要。他們將目標(biāo)鎖定在了循環(huán)流化床技術(shù)。

這項近20年才發(fā)展起來的潔凈煤燃燒技術(shù)，在燃用低熱值燃料和低成本污染控制上有獨(dú)到之處，是近年傳統(tǒng)煤電行業(yè)的重大技術(shù)需求之一。提高循環(huán)流化床發(fā)電效率的重要途徑之一，就是大型化及高參數(shù)化，但面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)。

為此，實驗室開展了深入細(xì)致的研究，最終建立了全工況超臨界循環(huán)流化床動態(tài)數(shù)學(xué)模型，研發(fā)出為運(yùn)行優(yōu)化提供關(guān)鍵參數(shù)的測量技術(shù)，及基于電站機(jī)理數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行大數(shù)據(jù)的性能監(jiān)測與優(yōu)化模型，解決了現(xiàn)實所需。

目前，應(yīng)用了這些創(chuàng)新理論與技術(shù)的世界首臺600MW超臨界循環(huán)流化床電站仿真機(jī)，已經(jīng)在四川白馬電站運(yùn)行多年，培訓(xùn)了多批運(yùn)行人員；基于該技術(shù)研發(fā)的多項設(shè)備，在多家電力企業(yè)也得到了推廣和應(yīng)用。

此外，還實現(xiàn)了LIBS煤質(zhì)分析設(shè)備的出口，這是我國首次以專利許可的方式向國外該領(lǐng)域龍頭企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)輸出。

善布局，鎖定能源互聯(lián)網(wǎng)

近年，以能源互聯(lián)網(wǎng)為代表的多領(lǐng)域交叉新技術(shù)蓬勃興起，多能互補(bǔ)、源荷互動、高效低成本儲能等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

在具體內(nèi)涵和技術(shù)框架體系仍在探索與形成的過程中，誰能先人一步實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，誰就有可能成為未來“游戲規(guī)則”的制定者。實驗室在這方面，是先行者。

裝置上電試驗

非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能

早在2013年，他們就積極布局，申請相關(guān)項目開始研究，至今已批準(zhǔn)相關(guān)自主研究課題12項、開放課題4項。

2014年，他們發(fā)起組織香山科學(xué)會議，旨在引起學(xué)術(shù)界關(guān)注，凝聚共識。

他們積極推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略，將能源互聯(lián)網(wǎng)寫入能源“十三五”規(guī)劃，主導(dǎo)編寫了“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展戰(zhàn)略綱領(lǐng)性文件。

2017年，發(fā)起并主辦首屆IEEE能源互聯(lián)網(wǎng)與能源系統(tǒng)集成會議，推進(jìn)國際合作。

不要小看這些軟性工作的能量，他們的努力成果都體現(xiàn)在了能源互聯(lián)網(wǎng)、電力體制改革等領(lǐng)域多項政策文件的出臺中，他們已成為影響國家政策制定的團(tuán)隊。

而在硬核心——重點領(lǐng)域的技術(shù)和裝備研發(fā)上，他們同樣沒有懈怠。

在關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)方面，已在電熱耦合、能量路由器、非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能、高溫電制氣系統(tǒng)等多能協(xié)同的能量存儲和轉(zhuǎn)化設(shè)備方面取得了可喜的進(jìn)展和突破。

在支撐平臺開發(fā)方面，也已成功開發(fā)了區(qū)域/園區(qū)能量管理云平臺IEMS、能源大數(shù)據(jù)分析云平臺，以及云端能源互聯(lián)網(wǎng)仿真云平臺、在線集中競價的電力交易平臺等，并開始試點應(yīng)用。

同時，他們也在積極推動示范工程建設(shè)，深度參與雄安新區(qū)、四川天府、廣州開發(fā)區(qū)等能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計，讓能源互聯(lián)網(wǎng)研究成果及時落地。

初心不忘，西東已明

負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金重大項目2項、牽頭國家科技部973計劃項目3項；承擔(dān)橫向項目416項，服務(wù)對象覆蓋全國各大電網(wǎng)和五大發(fā)電集團(tuán)，多項關(guān)鍵技術(shù)在電力電工行業(yè)廣泛應(yīng)用，獲得國家科技進(jìn)步特等獎1項、一等獎1項、二等獎9項，省部級一等獎33項。

負(fù)責(zé)或參與“十二五”智能電網(wǎng)重點專項、“十三五”智能電網(wǎng)重點研發(fā)計劃的專項規(guī)劃、實施方案、申報指南及國家2030智能電網(wǎng)重大項目可行性論證和實施方案等重要文件的編制工作和項目管理，全程主導(dǎo)編寫國家能源互聯(lián)網(wǎng)綱領(lǐng)性文件《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，深度參與《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》的制定和討論……

以基礎(chǔ)前沿研究或需求導(dǎo)向技術(shù)為基礎(chǔ)，或為企業(yè)提供關(guān)鍵技術(shù)支持，或為國家重大戰(zhàn)略決策提供智力支撐，近30年的持續(xù)投入，穩(wěn)固了清華大學(xué)電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室高水平研究基地的地位。

而在多元化人才培養(yǎng)基地與國際化學(xué)術(shù)交流基地的建設(shè)方面，實驗室同樣取得了不俗的成績。

實驗室在科技部評估中兩次獲得優(yōu)秀，所依托的清華大學(xué)電氣工程學(xué)科、動力工程與工程熱物理學(xué)科也在全國學(xué)科評估中屢獲第一，并在2017年獲得A+。

他們積極探索基于互聯(lián)網(wǎng)思維的學(xué)科交叉和人才培養(yǎng)新模式，持續(xù)引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展和教學(xué)改革，開拓能源互聯(lián)網(wǎng)學(xué)科新方向。

他們打造了以IEEE Fellow、IET Fellow和兩院院士、國外院士、長江學(xué)者、杰青等為核心研究力量的，結(jié)構(gòu)匹配、梯隊合理的高水平研究隊伍，以40歲以下研究骨干為核心技術(shù)負(fù)責(zé)人，承擔(dān)60%以上國家級任務(wù)。

他們形成了“價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”的三位一體培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出大批優(yōu)秀青年人才。

近5年來，他們承擔(dān)國際合作項目87項，舉辦重要國際會議18場，邀請國際及境外專家來訪年均超過100人次，使實驗室成為國內(nèi)外實質(zhì)性科研合作、學(xué)術(shù)交流、聯(lián)合人才培養(yǎng)的平臺。同時，他們與IET、中國電科院合作創(chuàng)辦了全球首本高電壓英文期刊《High Voltage》，另有66人次在國際刊物擔(dān)任主編、編委等職，實現(xiàn)了國際學(xué)術(shù)話語權(quán)的提升。

“緊扣國際學(xué)術(shù)前沿與國家電力行業(yè)的重大需求，打造電力能源領(lǐng)域的高水平研究基地、多元化人才培養(yǎng)基地、國家化學(xué)術(shù)交流基地，引領(lǐng)我國電力能源相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展方向?！边@一籌建之初就確立的總體目標(biāo)，正慢慢實現(xiàn)。

不忘初心，因初心自在；無問西東，因西東已明。